条形基础下水平布置纤维增强聚合物筋材地基试验研究

白崇喜，张中昊，邵新妍

（东北农业大学 水利与建筑学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

1 引言

加筋地基主要通过在土体中铺设适量的拉筋材料，它可以扩散土体的应力、增加土体模量、传递拉应力、限制土体的侧向变形，从而达到地基处理的目的。纤维增强聚合物（FRP）所具有的高强度和良好耐久性优势，使其在工程中的应用日益广泛，FRP加筋地基的加筋效果也会因为FRP的优势而更加明显。

近年来，加筋地基的加固机制已成为国内外学者的研究热点问题。Yamamoto等[1－2]对铝棒加筋地基开展了研究，结果表明，加筋机制为筋-土之间的相互作用，并据此建立了地基承载力的计算公式；魏丽敏等[3]的研究结果表明，筋带的形状受砂粒运动趋势的影响而呈曲线形状，因此，筋带内力分布呈多峰值现象；Huang等[4－5]进行了一系列加筋砂土地基模型试验研究，地基破坏模式表明，加筋机制有扩散层机制和深基础机制两种情况，并且筋材的长度、间距和刚度决定地基会发生哪种破坏模式；黄仙枝[6]认为，加筋机制为筋-土界面摩擦作用产生的应力扩散加筋机制，并分析了加筋垫层厚度及加筋参数对加筋垫层应力扩散作用的影响；徐超等[7]通过土工格栅加筋土地基平板载荷试验得到结论：加筋可改善地基的承载性能，土工格栅的强度和拉伸模量相比，后者对加筋土地基承载力的贡献更大。

针对加筋材料的耐久性问题及沿水平方向布筋的加筋效果有限问题，有待探索新的加筋材料及合理的布筋方式。开展了条形基础下水平布置FRP筋材地基试验，获得了每级荷载下地基沉降、FRP筋材应变、地基中土压力的试验数据，对比分析了FRP加筋地基的承载性能和破坏模式，提出了FRP材料的加筋机制。

2 试验概况

2.1 试验装置

试验装置由模型箱、加载设备和测量记录设备3部分组成，模型试验装置如图1所示。模型箱的长为91 cm、宽为47 cm、高为60 cm，模型箱的宽度方向代表条形基础纵向，模型箱四壁均放置1.5 cm厚透明有机玻璃板。用焊接的型钢来模拟条形基础，该型钢的长度为46 cm、高度为14 cm，基础底面宽度为10 cm。加载设备为量程为150 kN的千斤顶；测量记录设备包括1个量程为70 kN的压力传感器、2个量程为5 cm的电子位移计及6个微型土压力计，将这些设备与静态应变测试系统连接后采集数据。为实时观察地基变形情况，在紧靠有机玻璃板内壁铺设两条染色砂。

图1 模型试验装置Fig.1 Model test setup

2.2 试验材料

在3 mm厚FRP平板基础上加工成FRP筋材，试验中考虑了5种水平筋材形式。由FRP材料拉伸试验[8]结果知，其应力-应变曲线近似为直线，得到其平均极限抗拉强度为350 MPa、其平均弹性模量为9 589 MPa、其平均破断伸长率为3.65%。由风干砂筛分得到试验用细砂，其不均匀系数为3.01、曲率系数为0.71、重度为15.6 kN/m3、含水率为1.27%。

2.3 试验方案

共设计了1个无筋（工况a）、5个不同水平加筋方式的6种工况。水平加筋方式包括单层板加筋（工况b）、双层板加筋（工况c）、对称设置端部两个锚固端的单层板加筋（工况d）、对称设置端部及中部4个锚固端的单层板加筋（工况e）、网格状单层板加筋（工况f）5种工况。FRP板中的每个锚固端宽度为2 cm，厚度为1.2 cm。网格状板的尺寸及应变片布置情况如图2所示，矩形板的尺寸及应变片布置情况如图3所示，图中的锚固端是针对工况d和工况e而言的。网格状板的纵横板采用螺栓连接，如图4(a)所示；带锚固端的筋材采用螺栓锚固，如图4(b)所示。FRP筋材及微型土压力计的布置如图5所示。值得一提的是，本试验在基底两侧对称放置了混凝土块体，折合成超载为3.47 kPa。

3 试验结果及分析

3.1 荷载与沉降关系曲线

加筋地基模型试验的基底压力p 与地基沉降s的关系曲线如图6所示。图中曲线表明，加筋能显著提高地基承载力和减小地基沉降；在基底压力小于185 kPa的加载阶段，地基变形不大，加筋作用并不明显；随着荷载的增加，加筋作用逐渐显现出来；双层板加筋地基对地基承载力的提高幅度和地基沉降的减小幅度明显强于其他加筋地基；与单层板加筋地基相比，网格状单层板加筋地基的加筋效果小，设两个锚固端的单层板加筋地基的加筋效果略小，两个端部锚固端基本没有发挥作用，设4个锚固端的单层板加筋地基在加载前期的加筋效果略小，在加载后期的加筋效果略大。锚固端的厚度不足，致使设锚固端的单层板加筋地基的加筋作用没有表现出来。

图2 网格状板的尺寸及应变片布置（单位：mm）Fig.2 Grid plate sizes and strain gauge locations(in mm)

图3 矩形板的尺寸及应变片布置（单位：mm）Fig.3 Rectangular plate sizes and strain gauge locations(in mm)

图4 纵横板连接及筋材锚固Fig.4 Connection of vertical and horizontal plates and reinforcement anchorage

图5 FRP筋材及微型土压力计的布置（单位：mm）Fig.5 Reinforcement locations and earth pressure gauges(in mm)

图6 基底压力-地基沉降曲线Fig.6 Pressure at foundation bottom vs.foundation settlement

工况a、d卸载后地基表面变形情况的对比如图7所示，远离基础的筋材因筋材偏短而未受到足够的锚固，致使筋材的两端产生了如图7(b)所示的裂缝。因此，加筋地基出现了筋材挤出破坏和土体剪切破坏的破坏模式；未加筋地基出现了土体剪切破坏的破坏模式。图8所示为工况a、d在地基破坏时的变形情况，图中第1、2条染色砂距基底分别为10 cm和30 cm，这两个工况的第2条染色砂变形均很小，而第1条染色砂变形均较明显，且工况d的第2条染色砂变形明显大于工况a的第2条染色砂变形。由图8可知，加筋地基破坏时的地基沉降、隆起大小和范围均较非加筋地基大，工况d的第1条染色砂变形可间接反映FRP筋材的变形情况。试验结束后将FRP筋材取出，各加筋工况的筋材均未断裂，而只有较小的塑性变形。

3.2 FRP筋材应变分布

加筋地基模型试验中，FRP筋材各测点的应变值与基底压力的关系曲线如图9所示，图中工况c的1～4测点布置于上层板中，其布置位置如图3所示，5～8测点布置于下层板中，位于1～4测点的正下方。对于未设置锚固端的FRP筋材，应变片位于筋材的上表面；对于设置锚固端的FRP筋材，应变片位于筋材的下表面。工况e中1和2测点的应变值在加载后期溢出，导致应变读数不完整。

图7 卸载后地基表面变形Fig.7 Ground surface displacement after unloading

图8 地基破坏时的变形Fig.8 Displacement of ground at failure for case a and d

图9中各测点的应变值可间接反映出FRP筋材的弯曲情况，图中曲线表明，FRP筋材具有相同的变形，即在基础下产生弯曲变形并随基础及基础下的砂土一起沉降，各测点应变值的正负及相对大小表明了FRP筋材在基础两侧各有1个反弯点。工况c下层板的变形并不小于上层板的变形，说明下层板发挥着与上层板相当的加筋作用。FRP筋材因高强度和高弹性模量及较大的截面刚度，它所呈现的弯曲变形会对基础下的土体产生向上的作用力，进而提高了地基承载力和减小了地基沉降。FRP筋材与土界面的摩擦力对土体产生一个侧向约束力，限制了土体的侧向变形，从而增强了土体强度。

3.3 地基中土压力分布

加筋地基模型试验中各测点的土压力与基底压力的关系曲线如图10所示。对各工况基础中心外侧筋材顶面、底面土压力的相对大小进行对比，结果表明，除网格状单层板加筋方案外，加筋发挥了很强的土压力扩散作用。FRP筋材因具有较大截面刚度和高弹性模量特点而相当于一个刚性层，该刚性层能有效地扩散和均化地基中的土压力。网格状单层板加筋方案因FRP筋材的平面面积小于其他单层板加筋方案，致使该方案基本没有发挥土压力扩散作用。

图9 基底压力-FRP应变曲线Fig.9 Pressure at foundation bottom vs.FRP strain

图10 基底压力-土压力曲线Fig.10 Pressure at foundation bottom vs.earth pressure

3.4 加筋机制分析

综合考虑FRP筋材的变形、内力及其材料特点与截面属性可知，筋材能有效地扩散和均化地基中的土压力，改变了地基土体破裂面产生的位置和形状；筋材的弯沉变形对基础下部的土体施加一个向上的作用力，同时对基础两侧的土体施加一个向下的作用力；筋-土界面的摩擦力在一定程度上约束了土体的侧向变形。以上因素致使FRP加筋能显著提高地基承载力和减小地基沉降，而最主要的因素是FRP筋材的土压力扩散作用。

4 结论

（1）FRP加筋的加筋效果显著，双层板加筋的加筋效果更加突出，设锚固端的单层板加筋地基方案中锚固端的作用没有发挥出来，可根据工程需要首选单层板或双层板加筋地基方案。

（2）未加筋地基的破坏模式为土体剪切破坏，加筋地基的破坏模式为筋材挤出破坏和土体剪切破坏。

（3）FRP筋材受力后产生较大弯沉变形，双层板加筋方案的下层板具有与上层板相当的变形。

（4）FRP筋材可很好地扩散和均化地基土压力，双层板加筋方案的这种作用更加明显，而网格状单层板加筋方案基本没有发挥这种作用。

（5）水平FRP筋材主要起到了土压力扩散作用，同时也起到了张力膜作用和约束土体侧向变形的作用。

[1]YAMAMOTO K，OTANI J.Bearing capacity and failure mechanism of reinforced foundations based on rigidplastic finite element formulation[J].Geotextiles and Geomembranes，2002，20:367－393.

[2]YAMAMOTO K，KUSUDA K.Failure mechanisms and bearing capacities of reinforced foundations[J].Geotextiles and Geomembranes，2001，19(3):127－162.

[3]魏丽敏，华祖焜.加筋土地基筋带内力量测与分析[J].岩土工程学报，1997，19(1):15－21.WEI Li-min，HUA Zu-kun.Measurement and analysis of reinforcement tension for earth foundation[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1997，19(1):15－21.

[4]HUANG C C，TATSUOKA F.Bearing capacity of reinforced horizontal sandy ground[J].Geotextiles and Geomembranes，1990，9(1):51－82.

[5]HUANG C C，MENQ F Y.Deep-footing and wide-slab effects in reinforced sandy ground[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，1997，123(1):30－36.

[6]黄仙枝.加筋地基土压力测试与机理分析[J].岩土工程学报，2012，34(9):1691－1694.HUANG Xian-zhi.Measurement of soil pressure in geobelt-reinforcedfoundationandanalysisof reinforcement mechanism[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2012，34(9):1691－1694.

[7]徐超，胡荣，贾斌.土工格栅加筋土地基平板载荷试验研究[J].岩土力学，2013，34(9):2515－2520.XU Chao，HU Rong，JIA Bin.Experimental study of geogrid-reinforced soil foundation by plate load test[J].Rock and Soil Mechanics，2013，34(9):2515－2520.

[8]ACI Committee 440.Recommended test methods for FRP rods and sheet[S].[S.l.]:[s.n.]，2001.